ITBO20000248A1 - Metodo e dispositivo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore . - Google Patents
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Description
DE SCR I ZION E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore.
Come è noto, sono attualmente in fase di sperimentazione motori a combustione interna del tipo di quello descritto nella domanda di brevetto italiano B099AQ00443 depositata il 4 Agosto 1999, in cui la movimentazione delle valvole di aspirazione e di scarico è effettuata da azìonatori elettromagnetici. Tali azìonatori elettromagnetici presentano indubbi vantaggi, in quanto permettono di comandare ciascuna valvola secondo una legge ottimizzata per qualunque condizione operativa del motore, mentre i tradizionali azìonatori meccanici (tipicamente alberi a camme) richiedono la definizione di un profilo di alzata delle valvole che rappresenti un compromesso accettabile per tutte le possibili condizioni di funzionamento del motore.
Un azionatore elettromagnetico per una valvola di un motore a scoppio del tipo di quello sopra descritto normalmente comprende almeno un elettromagnete atto a spostare un corpo attuatore di materiale ferromagnetico e meccanicamente collegato allo stelo della rispettiva valvola. Per applicare alla valvola una particolare legge di moto, una unità di controllo pilota l'elettromagnete con una corrente variabile nel tempo per spostare in modo opportuno il corpo attuatore.
Tuttavia, per riuscire a pilotare l'elettromagnete in modo da spostare secondo la legge di moto desiderata il corpo attuatore è necessario stimare in tempo sostanzialmente reale alcune grandezze caratteristiche del sistema, in particolare il flusso magnetico agente sul corpo attuatore.
Scopo della presente invenzione è di fornire un metodo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore, che sia di facile ed economica attuazione .
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore secondo quanto licitato nella rivendicazione 1.
La presente invenzione è, inoltre, relativa ad un dispositivo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo per la stima del flusso magnetico in un azionatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore secondo quanto licitato nella rivendicazione 6.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 è una vista schematica, in elevazione laterale e parzialmente sezionata, di una valvola di un motore e di un relativo attuatore elettromagnetico operante secondo il metodo oggetto della presente invenzione;
- la figura 2 è una vista schematica di una unità di controllo dell'attuatore della figura 1;
- la figura 3 illustra schematicamente una parte dell'unità di controllo della figura 2; e
- la figura 4 illustra uno schema circuitale di un particolare della figura 3.
Nella figura 1, con 1 è indicato nel suo complesso un attuatore elettromagnetico 1 (del tipo di quello descritto nella domanda di brevetto italiano B099A000443 depositata il 4 Agosto 1999) accoppiato ad una valvola 2 di aspirazione o di scarico di un motore a combustione interna di tipo noto per spostare la valvola 2 stessa lungo un asse 3 longitudinale della valvola tra una posizione di chiusura (nota e non illustrata) ed una posizione di massima apertura (nota e non illustrata).
L'attuatore 1 elettromagnetico comprende un braccetto 4 oscillante almeno parzialmente in materiale ferromagnetico, il quale presenta una prima estremità incernierata ad un supporto 5 in modo tale da poter oscillare attorno ad un asse 6 di rotazione perpendicolare all'asse 3 longitudinale della valvola 2, ed una seconda estremità collegata tramite una cerniera 7 ad un'estremità superiore della valvola 2.
1/ attuatore 1 elettromagnetico comprende, inoltre, due elettromagneti 8 portati in posizione fissa dal supporto 5 in modo da risultare disposti da bande opposte del braccetto 4 oscillante, ed una molla 9 accoppiata alla valvola 2 ed atta mantenere il braccetto 4 oscillante in una posizione intermedia {illustrata nella figura 1) in cui il braccetto 4 oscillante stesso risulta equidistante dalle espansioni 10 polari dei due elettromagneti 8.
In uso, gli elettromagneti 8 vengono comandati da una unità 11 di controllo in modo tale da esercitare alternativamente o simultaneamente una forza di attrazione di origine magnetica sul braccetto 4 oscillante per farlo ruotare attorno all'asse 6 di rotazione spostando, di conseguenza, la valvola 2 lungo 11 rispettivo asse 3 longitudinale e tra le citate posizioni di massima apertura e di chiusura (non illustrate) . In particolare, la valvola 2 si trova nella citata posizione di chiusura {non illustrata) quando il braccetto 4 oscillante si trova in battuta sull'elettromagnete 8 inferiore, si trova nella citata posizione di massima apertura {non illustrata) quando il braccetto 4 oscillante si trova in battuta sull'elettromagnete 8 superiore, e si trova in una posizione di apertura parziale quando i due elettromagneti 8 sono entrambi disalimentati ed il braccetto 4 oscillante si trova nella citata posizione intermedia (illustrata nella figura 1) per effetto della forza esercitata dalla molla 9.
L'unità 11 di controllo controlla in retroazione ed in modo sostanzialmente noto la posizione del braccetto 4 oscillante, cioè la posizione della valvola 2, in base alle condizionamento di funzionamento del motore. In particolare, secondo quanto illustrato nella figura 2, l'unità 11 di controllo comprende un blocco 12 di generazione riferimenti, un blocco 13 di calcolo, un blocco 14 di pilotaggio atto ad alimentare con una corrente variabile nel tempo gli elettromagneti 8, ed un blocco 15 stimatore atto a stimare in tempo sostanzialmente reale la posizione x(t) e la velocità v{t) del braccetto 4 oscillante.
In uso, il blocco 12 di generazione riferimenti riceve in ingresso Una pluralità di parametri indicativi delle condizioni di funzionamento del motore (ad esempio il carico, il numero di giri, la posizione del corpo farfallato, la posizione angolare dell'albero motore, la temperatura del liquido di raffreddamento) e fornisce al blocco 13 di calcolo un valore XR(t) obiettivo (cioè un valore desiderato) della posizione del braccetto 4 oscillante (e quindi della valvola 2).
Il blocco 13 di calcolo in base al valore xR(t) obiettivo della posizione del braccetto 4 oscillante ed in base al valore x(t) stimato della posizione del braccetto 4 oscillante ricevuto dal blocco 15 stimatore, elabora ed invia al blocco 14 di pilotaggio un segnale z(t) di comando per pilotare gli elettromagneti 8. Secondo una preferita forma di attuazione, il blocco 13 di calcolo elabora il segnale z(t) di comando anche in base ad una valore v{t) stimato della velocità del braccetto 4 oscillante ricevuto dal blocco 15 stimatore.
Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il blocco 12 di generazione riferimenti fornisce al blocco 13 di calcolo sia un valore xr(t) obiettivo della posizione del braccetto 4 oscillante, sia un valore vR(t) obiettivo della velocità del braccetto 4 oscillante.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, il blocco 14 di pilotaggio alimenta i due elettromagneti 8, ciascuno dei quali comprende un rispettivo nucleo magnetico 16 accoppiato ad una corrispondente bobina 17, per spostare il braccetto 4 oscillante in base ai comandi ricevuti dal blocco 13 di calcolo. Il blocco 15 stimatore legge dei valori, dettagliati in seguito, sia dal blocco 14 di pilotaggio, sia dai due elettromagneti 8 per calcolare un valore x(t) stimato della posizione ed un valore v(t) stimato della velocità del braccetto 4 oscillante.
Il braccetto 4 oscillante è disposto tra le espansioni 10 polari dei due elettromagneti 8, i quali sono portati dal supporto 5 in posizione fissa e ad una distanza D fissa uno rispetto all'altro, quindi il valore x(t) stimato della posizione del braccetto 4 oscillante è direttamente ricavabile con una semplice operazione di somma algebrica da un valore d(t) stimato della distanza esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto di uno dei due elettromagneti 8. Analogamente, il valore v{t) stimato della velocità del braccetto 4 oscillante è direttamente ricavabile da un valore stimato della velocità esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto di uno dei due elettromagneti 8.
Per calcolare il valore x(t) il blocco 15 stimatore calcola i due valori di(t), d2(t) stimati della distanza esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto di ciascuno dei due elettromagneti 8; dai due valori di(t), d2(t) stimati, il blocco 15 stimatore ricava due valori Xi(t), x2(t) generalmente diversi tra loro a causa del rumore e degli errori di misura. Secondo una preferita forma di attuazione, il blocco 15 stimatore effettua una media dei due valori Xi(t), x2(t), eventualmente pesata in base alla accuratezza attribuita a ciascun valore x(t). Analogamente, per calcolare il valore v(t) il blocco 15 stimatore calcola i due valori stimati della velocità esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto di ciascuno dei due elettromagneti 8; dai due valori stimati della velocità, il blocco 15 stimatore ricava due valori vi(t), v2 (t) generalmente diversi tra loro a causa del rumore e degli errori di misura. Secondo una preferita forma di attuazione, il blocco 15 stimatore effettua una media dei due valori vi(t), v2(t), eventualmente pesata in base alla accuratezza attribuita a ciascun valore v<t).
Con particolare riferimento alla figura 4, in cui è illustrato un unico elettromagnete 8, vengono di seguito descritte le modalità utilizzate dal blocco 15 stimatore per calcolare un valore d(t) stimato della distanza esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto dell'elettromagnete 8, e per calcolare un valore stimato della velocità esistente tra un determinato punto del braccetto 4 oscillante ed un corrispondente punto dell'elettromagnete 8.
In uso, quando il blocco 14 di pilotaggio applica una tensione v(t) variabile nel tempo ai morsetti della bobina 17 dell'elettromagnete 8, la bobina 17 stessa viene attraversata da una corrente i(t) generando, di conseguenza, un flusso φ(t) attraverso un circuito 18 magnetico accoppiato alla bobina 17. In particolare il circuito 18 magnetico accoppiato alla bobina 17 è composto dal nucleo 16 di materiale ferromagnetico dell'elettromagnete 8, dal braccetto 4 oscillante di materiale ferromagnetico e dal traferro 19 esistente tra il nucleo 16 ed il braccetto 4 oscillante.
Il circuito 18 magnetico presenta una riluttanza complessiva R definita dalla somma della riluttanza del ferro Rfe e della riluttanza del traferro R0; il valore del flusso φ(t) che circola nel circuito 18 magnetico è legato al valore della corrente i(t) che circola nella bobina 17 dalla seguente relazione {in cui N è il numero di spire della bobina 17):
In generale il valore della riluttanza complessiva R dipende sia dalla posizione x(t) del braccetto 4 oscillante (cioè dall'ampiezza del traferro 19, la quale è uguale, a meno di una costante, alla posizione x(t) del braccetto 4 oscillante), sia dal valore assunto dal flusso φ(t). A meno di errori trascurabili (cioè in prima approssimazione) si può ritenere che il valore della riluttanza del ferro Rfe dipende solo dal valore assunto dal flusso φ(t), mentre il valore della riluttanza del traferro R0 dipende solo dalla posizione x{t), cioè:
Risolvendo l'ultima equazione sopra riportata rispetto ad R0(x(t)), si può ricavare il valore della riluttanza al traferro R0 conoscendo il valore della corrente i(t), valore facilmente misurabile mediante un amperometro 20, conoscendo il valore di N (fisso e dipendente dalle caratteristiche costruttive della bobina 17), conoscendo il valore del flusso φ(t), e conoscendo la relazione esistente tra la riluttanza del ferro Rfe ed il flusso φ (nota dalle caratteristiche costruttive del circuito 18 magnetico e dalle caratteristiche magnetiche del materiale impiegato, oppure facilmente ricavabile mediante prove sperimentali).
La relazione esistente tra riluttanza al traferro R0 e la posizione x è ricavabile in modo relativamente semplice analizzando le caratteristiche del circuito 18 magnetico (un esempio di un modello del comportamento del traferro 19 è rappresentato dalla equazione riportata in seguito). Una volta nota la relazione tra la riluttanza al traferro R0 e la posizione x, la posizione x è ricavabile dalla riluttanza al traferro R0 applicando la relazione inversa (applicabile sia utilizzando l'equazione esatta, sia applicando una metodologia di calcolo numerico approssimata). Quanto sopra esposto si può sintetizzare nelle seguenti relazioni (in cui Hfe(φ(t))= RfS(φ(t)) * φ (t)):
Le costanti K0, Κχ, K2, K3 sono costanti ricavabili in modo sperimentale mediante una serie di misure sul circuito 18 magnetico.
Da quanto sopra esposto, risulta chiaro che se si riesce a misurare il flusso φ(t) è possibile calcolare in modo relativamente semplice la posizione x(t) del braccetto 4 oscillante. Inoltre, partendo dal valore della posizione x(t) del braccetto 4 oscillante, è possibile calcolare il valore della velocità v(t) del braccetto 4 oscillante stesso mediante una semplice operazione di derivazione nel tempo della posizione x {t).
Secondo una prima forma di attuazione, il flusso φ(t) è calcolabile misurando la corrente i(t) che circola attraverso la bobina 17 mediante l'amperometro 20 di tipo noto, misurando la tensione v(t) applicata ai morsetti della bobina 17 mediante un voltmetro 21 di tipo noto, e conoscendo il valore della resistenza RES della bobina 17 (valore facilmente misurabile). Tale metodo di misura del flusso φ(t) si basa sulle seguenti relazioni (in cui N è il numero di spire della bobina 17) :
L'istante convenzionale 0 viene scelto in modo da conoscere in modo preciso il valore del flusso φ(0) all'istante 0 stesso; in particolare l'istante 0 viene normalmente scelto all'interno di un intervallo di tempo in cui la bobina 17 non è percorsa di corrente e, quindi, il flusso φ è sostanzialmente nullo (l'effetto di eventuali magnetizzazioni residue è trascurabile), oppure l'istante 0 viene scelto in corrispondenza di una posizione determinata del braccetto 4 oscillante (tipicamente quando il braccetto 4 oscillante è in battuta sulle espansioni 10 polari dell'elettromagnete 8), in corrispondenza della quale è noto il valore della posizione x ed è quindi noto il valore del flusso φ.
Il metodo sopra esposto per il calcolo del flusso φ(t) è abbastanza preciso e veloce (cioè privo di ritardi); tuttavia, tale metodo comporta alcuni problemi, dovuti al fatto che la tensione v(t) applicata ai morsetti della bobina 17 è normalmente generata da un amplificatore a commutazione (detto anche amplificatore switching) integrato nel blocco 14 di pilotaggio e quindi varia continuamente tra tre
Valori ( Valimentazione, 0, Valimentazione ) , di cui due (+Valimentazione, e -Valimentazione) presentanti un valore relativamente elevato e quindi difficile da misurare in modo preciso senza l'ausilio di circuiti di misura relativamente complessi e costosi. Inoltre, il metodo sopra esposto per il calcolo del flusso φ(t) richiede la continua lettura della corrente i(t) che circola attraverso la bobina 17 e la continua conoscenza del valore della resistenza RES della bobina 17, valore di resistenza che, come noto, varia con il variare della temperatura della bobina 17 stessa.
Secondo una diversa forma di attuazione, al nucleo 16 magnetico viene accoppiata una bobina 22 ausiliaria (composta da almeno una spira e generalmente provvista di un numero Na di spire), ai cui morsetti viene collegato un ulteriore voltmetro 23; essendo i morsetti della bobina 22 sostanzialmente aperti (la resistenza interna del voltmetro 23 è così elevata da potersi ritenere infinita senza per questo introdurre errori apprezzabili), la bobina 22 non è percorsa da corrente e la tensione va(t) ai suoi morsetti dipende unicamente dalla derivata del flusso φ(t) nel tempo, da cui si può ricavare il flusso mediante una operazione di integrazione (per quanto riguarda il valore φ(0), si vedano le considerazioni sopra esposte):
L'utilizzo della lettura della tensione va(t) della bobina 22 ausiliaria permette di evitare qualsias tipo di misure e/o stime di corrente elettrica e di resistenza elettrica per calcolare il flusso φ(t); inoltre, il valore della tensione va(t) è legato al valore della tensione v(t) (a meno delle dispersioni) dalla relazione:
per cui dimensionando opportunamente il numero Na di spire della bobina 22 ausiliaria, si può mantenere il valore della tensione va(t) all'interno di un intervallo misurabile in modo preciso con relativa facilità.
Da quanto sopra esposto risulta chiaro che utilizzando la lettura della tensione va(t) della bobina 22 ausiliaria, il calcolo del valore del flusso φ(t) risulta più preciso, più veloce e più semplice rispetto all'utilizzo della lettura della tensione v(t) ai capi della bobina 17.
Nella descrizione sopra riportata sono stati forniti due metodi per la stima della derivata del flusso φ(t) nel tempo. Secondo una forma di attuazione si sceglie di utilizzare solo un metodo per il calcolo della derivata del flusso φ(t). Secondo una diversa forma di attuazione si sceglie di utilizzare entrambi i metodi per il calcolo della derivata del flusso φ(t) nel tempo e di utilizzare una media (eventualmente pesata rispetto alla precisione stimata) dei risultati dei due metodi applicati oppure di utilizzare un risultato per la verifica dell'altro {se vi è una notevole discordanza tra i due risultati è probabile che si sia verificato un errore nelle stime).
Oltre che per la stima della posizione x(t) del braccetto 4 oscillante, la misura del flusso φ(t) può
venire utilizzata dall'unità 11 di controllo per verificare il valore della forza f(t) di attrazione esercitata dall'elettromagnete 8 sul braccetto 4 oscillante, in quanto:
Inoltre, secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, l'unità 11 di controllo controlla in retroazione il valore del flusso φ (t), per cui la misura del flusso φ(t) risulta essere fondamentale per effettuare tale tipologia di controllo del flusso φ{t) (normalmente, il controllo in retroazione del valore del flusso φ(t) viene applicato in alternativa al controllo in retroazione del valore della corrente i(t) circolante nella bobina 17).
E' , infine, utile osservare che i metodi sopra descritti per la stima della posizione x(t) sono utilizzabili solo quando la bobina 17 di un elettromagnete 8 è attraversata da corrente. Per questo motivo, come sopra descritto, il blocco 15 stimatore opera con entrambi gli elettromagneti 8, in modo da utilizzare la stima effettuata con un elettromagnete 8 quando l'altro è spento. Quando entrambi gli elettromagneti 8 sono attivi, il blocco 15 stimatore effettua una media dei due valori x(t) calcolati con i due elettromagneti 8, eventualmente pesata in base alla precisione attribuita a ciascun valore x(t) (generalmente la stima della posizione x effettuata rispetto ad un elettromagnete 8 è più precisa quando il braccetto 4 oscillante è relativamente vicino alle espansione 10 polari dell'elettromagnete 8 stesso).
Claims (8)
- R IV E N D I CA Z IO N I 1) Metodo per la stima del flusso (φ) magnetico in un azionatore (1) elettromagnetico per il comando di una valvola (2) di un motore; il corpo (4) attuatore essendo almeno parzialmente realizzato in materiale ferromagnetico e venendo spostato verso almeno un elettromagnete (8) per effetto della forza di attrazione magnetica generata dall'elettromagnete (8) stesso; il metodo essendo caratterizzato dal fatto che il valore del flusso (φ) magnetico viene stimato misurando i valori assunti da alcune grandezza (i, v; va) elettriche di un circuito (17; 22) elettrico accoppiato con il circuito (18) magnetico, calcolando la derivata nel tempo del flusso (φ) magnetico come combinazione lineare dei valori delle grandezze (i, v; va) elettriche, ed integrando nel tempo la derivata del flusso (φ) magnetico.
- 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui vengono misurate la corrente (i) circolante attraverso una bobina (17) dell'elettromagnete (8) e la tensione (v) applicata ai morsetti della bobina (17) stessa; la derivata nel tempo del flusso (φ) magnetico ed il flusso (φ) magnetico stesso venendo calcolati applicando le seguenti formule:m cui: • è il flusso (φ) magnetico • N è il numero di spire della bobina (17) • v è la tensione (v) applicata ai morsetti della bobina (17) • RES è la resistenza della bobina (17) i è la corrente (i) circolante attraverso la bobina (17).
- 3) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui viene misurata la tensione (va) presente ai morsetti di una bobina (22) ausiliaria accoppiata al circuito (18) magnetico e concatenante il flusso (φ) magnetico; la bobina (22) ausiliaria essendo in sostanza elettricamente aperta; e la derivata nel tempo del flusso (φ) magnetico ed il flusso (φ) magnetico stesso venendo calcolati applicando le seguenti formule:m cui: • φ è il flusso (φ) magnetico • Na è il numero di spire della bobina (22) ausiliaria • va è la tensione (va) presente ai morsetti della bobina (22) ausiliaria.
- 4) Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui per integrare nel tempo la derivata del flusso (φ) magnetico si utilizza un istante di tempo iniziale da cui fare partire l'operazione di integrazione; il detto istante di tempo iniziale essendo scelto in un intervallo di tempo in cui il detto corpo (4) attuatore è in una posizione nota e determinata .
- 5) Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui per integrare nel tempo la derivata del flusso (φ) magnetico si utilizza un istante di tempo iniziale da cui fare partire l'operazione di integrazione; il detto istante di tempo iniziale essendo scelto in un intervallo di tempo in cui il detto elettromagnete (8) è spento.
- 6) Dispositivo per la stima del flusso (φ) magnetico in un azionatore (1) elettromagnetico per il comando di una valvola (2) di un motore; l'azionatore (1) elettromagnetico comprendendo almeno un elettromagnete (8) atto a spostare per effetto della forza di attrazione magnetica generata dall'<’ >elettromagnete (8) stesso il corpo (4) attuatore almeno parzialmente realizzato in materiale ferromagnetico; l'elettromagnete (8) ed il corpo (4) attuatore definendo un circuito (18) magnetico interessato dal detto flusso (φ) magnetico; e l'elettromagnete (8) essendo provvisto di un circuito (17; 22) elettrico accoppiato con il circuito (18) magnetico e concatenante almeno parte del detto flusso (φ) magnetico; il dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (15) stimatori provvisti di mezzi (20, 21; 23) di misura per misurare i valori assunti da alcune grandezze (i, v; va) elettriche del detto circuito (17; 22) elettrico; i detti mezzi (15) di stima essendo atti a stimare il valore del flusso (φ) calcolando la derivata nel tempo del flusso (φ) magnetico come combinazione lineare dei valori delle grandezze (i, v; va) elettriche, ed integrando nel tempo la derivata del flusso (φ) magnetico.
- 7) Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui il detto elettromagnete (8) comprendono una bobina (17), ed i detti mezzi (20, 21; 23) di misura comprendendo un amperometro (20) per misurare la corrente (i) circolante attraverso la bobina (17), ed un voltmetro (21) per misurare la tensione (v) applicata ai morsetti della bobina (17) stessa.
- 8) Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui i detti mezzi (15) di stima comprendono una bobina (22) ausìliaria, la quale è accoppiata al circuito (18) magnetico, concatena il flusso (φ) magnetico ed è in sostanza elettricamente aperta; ed i detti mezzi (20, 21; 23) di misura comprendendo un voltmetro (23) per misurare la tensione (va) presente ai morsetti della bobina (22) ausìliaria.
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